基于巖土工程探測的場地立體空間建模與信息管理設計

崔富強

（陜西鐵路工程職業技術學院 陜西 渭南714000）

基于巖土工程探測的場地立體空間建模與信息管理設計

崔富強

（陜西鐵路工程職業技術學院 陜西 渭南714000）

文中針對導航及地理信息系統的迅速發展，傳統的二維巖土工程勘察圖紙已不能夠為計算機信息處理提供大量、簡捷和直觀的巖土勘察信息的問題，提出了三維建模技術和可視化技術。該技術在分析和測量大量的勘察資料的基礎上，運用三維立體建模和可視化編程軟件技術，實現了巖土勘察地形的立體空間模型，并在可視化技術下，該場景真實逼真，該模型的提出為巖土勘察工程提供了重要的參考價值，且在未來的發展中有較強的實用價值。

巖土工程；三維建模技術；可視化技術

近年來，隨著計算機信息處理及衛星導航等系統的迅速發展，巖土勘察技術[1]及方法也隨之得以改進，新的理論及分析方法層出不窮，傳統的二維巖土工程勘察圖紙令研究者難以根據二維的長寬高勾勒出三維場景，且二維信息也不能為如今的計算機處理提供直觀的空間信息。基于此，來自不同領域的研究者，包括圖形學、計算機信息處理[2]、地理信息系統的處理等行業的研究者紛紛將所學知識相互融合，從而建立了三維地理信息系統。文中在查閱了大量有關多源異構方面巖土工程的資料，開發了集地理信息數據預處理，三維空間建模及可視化技術與一體的軟件系統[3]。該軟件可查看任意勘察場地的整體及三維刨面圖，為研究者提供了較強的直觀感，并可對勘察信息的查詢及更新進行實時操作。

1 數據管理

1.1 數據錄入處理

對于數據信息的來源主要有3種獲取方式，分別為紙質版勘察數據、二維電子數據和專業處理過的軟件數據。下面介紹系統對這3種信息的處理方式，對于紙質版勘察數據的錄入，首先將紙質版數據轉換為電子格式，然后根據系統要求的格式將電子格式轉換為系統接受的格式，這樣對于該數據便可方便快捷的查詢和使用[4]。對于電子數據，只需要用與數據或表格文檔相應的管理軟件進行管理即可。對于專業處理過的軟件數據，需仔細了解其格式是否為系統所要求的，若不是要先轉換為系統要求的格式再進行錄入。本系統的設計中有數據管理模塊，且包含Excel接口，能夠對大量的數據進行批量輸入和輸出[5]。

1.2 數據異常處理

該系統中設計了關鍵的數據異常處理模塊[6]，對于上述數據的錄入可能會由于某種原因導致錯誤的錄入，嚴重者還可能導致對于地形地貌的錯誤構造，如圖1所示為數據異常處理模塊能夠對源數據進行檢查和預處理，保證了由于異常數據所帶來的巨大損失。

圖1 數據管理流程

2 三維建模及可視化管理

如圖2所示為三維集成建模技術路線圖，對于巖土勘察三維建模系統的建立涉及到諸多對象，該對象是按照空間的位置不同而劃分的，通常情況下被分為3種，分別為位于地表以上、地表表面以及地表以下的地形地貌[7]。由于這3種地貌地形的不同，因此在數據處理時，其數據來源，幾何形態表達等均不相同，這就導致了對于不同空間的三維模型亦不同，但均可采用無縫耦合的方法[8]與地表模型進行對接。

圖2 三維集成建模技術路線

2.1 地上部分

對于地上部分大多指的是建筑物，該模型的建立采用邊界表示法（B－Rep）[9]，因地上大部分建筑物的側面由四邊形縫合而成可被分解為三角形，而頂面可采用三角剖分方法進行實現。

2.2 地面部分

對于地表模型的建立，最重要的就是數據的來源，該數據的來源大部分從鉆孔孔口坐標的獲取、測量高程點的位置和地形平面圖的繪制得到。地面高程模型的建立是由離散高程點生成的不規則三角網形成的，該模型建立的算法主要有3種，分別為插入法、分治法以及三角網生長法[10]。地表還有綠植、道路以及下水道的井口等物，可利用數學中的點、線、面處理方法將地物和數字高程模型呈現無縫集成。

2.3 地下部分

地下部分涉及地層之間的關系，尤其對于有尖滅現象的地下部分，更需要特殊處理。文中對于地下部分的建模采用廣義三棱柱模型（GTP）[11]及改進的GTP退化模型分別對一般的地下部分和含有尖滅的地下進行建模處理。

3 系統整體構架

對于巖土勘察體系結構的建立如圖3所示，系統建立主要考慮的因素有3個，首先是根據地形地貌的不同，采集到的數據因此也不同，針對該問題需要對數據進行預處理，來實現數據的耦合[12]。然后是可視化技術的搭建，三維模型的構造，通過軟件的實現使得地質人員能直觀的根據幾何圖形對巖土現狀進行觀察。最后是對于可視化模型的空間操控，該系統的設計能使研究者方便的進行人機交互，并可在可視化界面下進行相關的查詢及更新功能。

圖3 軟件系統總體框架結構

4 信息交互管理

由于巖土劃分不同的特性，因此三維圖形的建立也各不相同，常見的三維模型的建立有地質體、鉆孔、數字高程模型、建筑物、地下水位面以及地質剖面。這么多的模型在計算機中均需要進行編輯和查找等操作，信息交互管理就是提供一種將圖像和圖像屬性相關聯的編碼方法[13]。如圖4所示，在模型的建立時，每一個模型均有一個編碼和其唯一對應，使其具有唯一的標識碼[14]。在對模型進行查找時首先是進行模型標識碼的查找，然后通過解碼功能進行模型屬性的對應。

圖4 圖屬交互過程

5 軟件開發的應用實例

基于本文三維模型的建立及可視化方法，軟件設計語言用Visual C++，和OpenGL[15]三維圖形庫來實現巖土工程的可視化操控。該系統的實現以一個具體的巖土勘察項目為例，該項目的勘探點有126個，鉆孔深度為10～30m之間，勘察的地形成品字形地貌，南北走向約340m，東西長大概460m。在對各項數據采集之后，按系統規定格式錄入，可得到如圖5所示的空間立體模型。

圖5 巖土工程場地的三維圖形

對于多交叉剖面的地質研究者通常需要對其進行剖面圖分析，該項目的一個刨面圖如圖6所示。

圖6 地質刨面圖分析

圖7 地層實時查詢和更新

圖7所示，在可視化系統中即可看到該系統的模型，并在此基礎上利用信息查詢和更新功能可對勘察區域進行空間中的上下查看。

6 結束語

通過對該模型的三維生成及可視化的操控，證實了該系統的可實現性，解決了傳統二維建模技術給新時代研究人員及計算機處理所帶來的困難，其真實感強，信息量大，大幅提高了工作效率，且對于巖土勘察領域的研究具有較強的推動作用，該技術也將會給社會帶來極大的效益。

[1]Bai Shi-wei，He Huai-jian，Wang Chun-xiang.3-dimension strata information system and information of geotechnical engineering[J].Journal of Huazhong University of Science&Technology:Urban Science Edition，2002，19（1）:23-26.

[2]白世偉，王笑海，陳健，等.巖土工程的信息化與可視化[J].礦產勘查，2001（8）:16-17.

[3]向中林，王妍，王潤懷，等.基于鉆孔數據的礦山三維地質建模及可視化過程研究[J].地質與勘探，2009，45（1）:75-81.

[4]李亦綱，曲國勝，陳建強.城市鉆孔數據地下三維地質建模軟件的實現[J].地質通報，2005，24（5）:470-475.

[5]Lemon A M,Jones N M.Building solid models from boreholes and user-defined cross-section[J].Computers and Geosciences，2003，29（5）:547-555.

[6]周佳文，薛之昕，萬施.三角剖分綜述[J].計算機與現代化， 2010（7）:75-78.

[7]Guo J T，Wu L X，Yang Y Z，et al．Towards a seamless integration for spatial objects and topography[C].The 20th International Conference on Geoinformatics.Hong Kong，2012:15-17.

[8]Lee D T.Generalized delaunay triangulation for planar graphs [J].Discrete and Computational Geometry，1986，1（1）:201-217.

[9]Wu L X.Topological relations embodied in a generalized tri-prism （GTP）modelfora3D geoscience modeling system[J].Computers＆Geosciences，2004，30（4）:405-418.

[10]Guo J T,Yang Y Z,Wu L X,et al.A novel method for modeling complex 3D geological body with stratalpinch-out[C].International Geoscience and Remote Sensing Symposium，IGARSS2011.Vancouver，2011:4204-4207.

[11]葉安強.淺析巖土工程勘察中存在的問題及相應對策[J].企業技術開發:學術版，2015，34（8）:45-46.

[12]崔國柱.巖土工程勘察行業計算機應用現狀分析及建議[J].西部探礦工程，2009，21（11）:19-20.

[13]官善友，廖建生.工程勘察行業現狀和發展對策[J].城市勘測，2010（2）:160-163.

[14]吳沖龍，牛瑞卿，劉剛，等.城市地質信息系統建設的目標與解決方案[J].地質科技情報，2003，22（3）:67-72.

[15]Nathanail C P，Rosenbaum M S.Spatial management of geotechnical data for siteselection[J].Engineering Geology，1998，50（3）:347-356.

Space modeling and information management design of site based on geotechnical engineering survey

CUI Fu-qiang
（Shaanxi Railway Engineering Vocational College，Weinan 714000，China）

This paper for navigation and geographic information system （GIS） the rapid development，the traditional 2D geotechnical engineering survey drawings have not been able to provide a large number of computer information processing，simple and intuitive geotechnical investigation information problems proposed 3D modeling technology and real-time visualization technology.The technology on the basis of analysis and measurement of a large amount of investigation data，using 3D solid modeling and visualization programming software technology，can realize the geotechnical survey the terrain of threedimensional space model， and in the visualization technology and the real scene realistic， the model proposed for the geotechnical engineering investigation provides important reference value，in the future development has a strong practical value.

Geo engineering； 3D modeling technology； visualization technology

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0081-04

2016-08-01稿件編號：201608006

崔富強（1978—），男，山東青島人，碩士，助教。研究方向：巖土工程。